基于磁化水的含硫高黏性全尾砂充填新技術

王新民，李帥，張欽禮，賀嚴，康虔

(中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙，410083)

全尾砂膠結充填具有工藝簡單、生產能力大、安全環保等優點，在有色金屬礦山應用越來越廣泛[1]。但是國內部分礦山如新橋硫鐵礦、和睦山鐵礦、羅河鐵礦等在進行全尾砂膠結充填的現場工業試驗中發現，由于尾礦中雜質成分復雜，殘留硫含量較大，導致全尾砂黏度增大，新鮮尾砂極易黏結成團，堆放時間過長易結塊，繁瑣的攪拌破碎工藝嚴重影響了全尾砂膠結充填管道輸送效率，制約了全尾砂膠結充填技術在含硫礦山的推廣應用。針對這些問題，國內外的主要研究方向集中在尾砂脫硫和破碎工藝上。Hulshof等[2]利用有機覆蓋法，發現黏漿狀有機廢物覆蓋可以使硫的最高還原速度達到5 g/(L·a)。萬淑娟等[3]通過改變菌種培養試驗條件研究了氧化亞鐵硫桿菌在尾礦脫硫中的作用。張欽禮等[4]通過調整全尾砂儲存方式，增加了打散、破碎裝置，采用尾礦活化運輸來保證下料順利和生產的正常運行。但是尾礦脫硫技術成本高、工藝復雜，尾砂破碎活化系統費時費力，易堵管溢流，充填效率難以保證，全尾砂膠結充填技術在含硫高黏性礦山的應用仍然舉步維艱。磁化水是近些年迅速發展起來的在工業鍋爐除垢防垢、油田的防蠟降黏、農業磁化育苗、醫學磁化殺菌、城市污水處理等諸多領域得到廣泛應用的一門新技術[5-6]?；魪V新等[7]研究了磁處理在提高高水充填材料膠凝體抗壓強度方面的作用，王貴和等[8]通過將磁化水與膨潤土進行配漿，研究磁化水在改變膨潤土漿液流變特性的變化規律，這些研究為磁化水在礦山生產實踐應用提供了參考。在此，本文作者把磁化水引入全尾砂膠結充填配漿試驗中，結合某硫鐵礦含硫全尾砂的實際情況，探究不同磁化條件下，磁化水-全尾砂漿體的主要流變參數屈服剪切應力、表觀黏度以及管道輸送性能的變化規律。

1 磁化水系統

1.1 磁化水機理

磁化水是一種被磁場磁化了的水。由法拉第的電磁理論，有一定導電性的水流在外力作用下通過磁場，做切割磁感線運動時，會產生電動勢，水即被磁化。磁場給水分子熱運動提供了能量，由于氫鍵的相互吸引而聚集締合起來的大的水分子集團不斷被破壞，由原來的13～18 個大分子團變成5～6 個小分子團，使水的黏度和表面張力減小。磁化后水的氫鍵角由104.5°變成103°左右，水中的水合離子受到磁場的影響作螺旋式的圓周運動，由于正負離子旋轉方向相反，它們之間的氫鍵被扭斷。磁化后水的結構和物化性質發生了一系列的變化，主要體現在以下方面：黏度與表面張力下降，pH、電導率、鹽類溶解度提升，活性增強等[9-11]。

1.2 磁化水制備

圖1 所示為磁化水制備系統示意圖。電磁鐵接入專門的磁化水電源，通過滑線變阻器調節產生不同強度的磁場，循環管路由非磁性材料有機玻璃管組成。啟動水泵，在節流閥的控制下，水流可以以不同的流速通過電磁場，從而獲得磁化程度各異的磁化水[12]。

圖1 磁化水制備系統示意圖Fig.1 Sketch map of magnetized water system

2 磁化水全尾砂配漿試驗

2.1 全尾砂物化性能

表1 所示為某硫鐵礦全尾砂粒徑組成，表2 所示為新橋礦全尾砂化學成分。新橋礦含硫全尾砂粒級較細(見表1)，0.05 mm 以下顆粒占68%(質量分數)以上，中值粒徑僅為 0.038 mm ， 滲透系數小(1.62×10-4～4.41×10-4cm/s)；尾砂中含有較多的雜質成分(見表2)，其中殘留硫含量較大，新鮮全尾砂容易黏結成團，如圖2 所示，堆放時間過長易結塊，不利于儲存和輸送。

表1 某硫鐵礦全尾砂粒徑組成Table 1 Composition of total tailings’ grain diameter in a pyrite mine

表2 某硫鐵礦全尾砂化學成分(質量分數)Table 2 Chemical composition of a pyritic mine’s total tailing %

2.2 漿體流變參數測定

圖2 某硫鐵礦含硫全尾砂黏結成團照片Fig.2 Photo of caking sulfur-content total tailings of a pyrite mine

礦山充填料漿是典型的固液兩相流體，充填料漿的表觀黏度、屈服剪切應力等指標在管道輸送壓力損失計算、流速分布規律研究、管道磨損性能評價等方面都有很重要的作用[13]。旋轉黏度計是適用簡便且準確的新型黏度測量儀器，黏度測量步驟如下：將被測漿體置于直徑為100 mm、高度150 mm 的燒杯中，準確地控制被測漿體的溫度，調整儀器使得水準器氣泡居中。采用不同的轉子類型，更換不同的轉速對某硫鐵礦含硫全尾砂漿體(質量分數為70%)的表觀黏度和屈服剪切應力進行測定，并多次測量平均值。

2.3 試驗步驟

濰坊博思特公司生產的磁水器磁化面積大，磁場均勻性好，磁感應強度精確可調，可滿足室內磁化水制備實驗的各項要求。磁場強度過高，磁化耗能負擔大，不符合現場生產節能減排的要求；水流速度過快，磁化時間過短，水得不到充分有效地磁化。借鑒前人關于磁化水處理的成果，確定試驗初選的磁化條件為：磁場強度B 控制在0.1～0.4 T，水流在管徑中循環流速v 控制在1～4 m/s，磁化時間t 控制在10～40 min。

1) 室內磁化水制備：磁化水制備系統安放要求穩定可靠，避免外界磁干擾。按照初選的磁化條件調節磁化電源、管路節流閥、控制磁化時間，制備磁化條件不同、磁化效果各異的磁化水。

2) 磁化水-全尾砂配漿：將磁化程度各異的磁化水和新橋全尾砂相混合，配制成質量分數為70%的全尾砂漿體，高速攪拌10 min。

3) 磁化條件初選：利用漏斗法測試等量磁化水-全尾砂漿體通過相同漏斗的時間，時間越短，黏度越小。初選出適宜的磁感應強度、磁化時間、循環流速。

4) 控制磁感應強度、水流循環速度為初選的適宜值，利用旋轉黏度計測定不同磁化時間下的磁化水-全尾砂漿體流變參數的變化規律。

5) 控制水流循環速度、磁化時間為初選的適宜值，利用旋轉黏度計測定不同磁場強度下的磁化水-全尾砂漿體流變參數的變化規律。

6) 控制磁感應強度、磁化時間為初選的適宜值，利用旋轉黏度計測定不同循環流速下的磁化水-全尾砂漿體流變參數的變化規律。

7) 磁化條件優選：根據影響磁化水-全尾砂漿體流變參數的變化規律，優選適合某硫鐵礦全尾砂的磁化條件。

3 結果與分析

3.1 磁化條件初選

將100 mL 磁化程度各異的磁化水-全尾砂漿體依次通過直徑為10 cm 的漏斗，記錄漿體滴落過程所需時間(至最后一滴滴落的時間為準)，并與自來水全尾砂漿體的滴落時間做對比，部分適宜磁化條件下的滴落時間見表3。經初選出適宜的磁化條件如下：磁感應強度為0.1～0.2 T，磁化時間為10～20 min，水流循環速度為1～2 m/s。

表3 不同磁化條件的全尾砂漿體滴落實驗結果Table 3 Dripping test results of different magnetized total tailings slurry

3.2 磁化時間對漿體流變參數的影響

在磁感應強度B=0.2 T，循環速度v=2 m/s 時，磁化水-全尾砂漿體的流變參數隨磁化時間變化的曲線如圖3 所示。t=0 時，即是沒有經過磁化的普通自來水全尾砂漿體，此時其表觀黏度為和屈服剪切應力均為最大值。隨著磁化時間的增加，磁化水-全尾砂漿體的表觀黏度和屈服剪切應力逐漸降低。當循環磁化的時間達到20 min 時，表觀黏度和屈服剪切應力降至最低值，分別下降31%和16%左右；隨著磁化時間的繼續增加，表觀黏度和屈服剪切應力趨于穩定。

圖3 磁化時間對流變參數的影響Fig.3 Influence of magnetizing time on rheological parameter

3.3 磁感應強度對漿體流變參數的影響

在循環速度v=2 m/s，磁化時間為20 min 時，不同磁感應強度下產生的磁化水-全尾砂漿體的流變特性如圖4 所示。從圖4 可見：當B=0 T 時，為未經磁化的普通自來水全尾砂漿體；隨著磁感應強度的增大，磁化水全尾砂漿體的表觀黏度和屈服剪切應力下降明顯；在0.1～0.2 T 時降低的幅度最大，在0.2 T 時降到最低，屈服剪切應力下降19%，表觀黏度下降26%；當磁感應強度大于0.2 T 后，表觀黏度和屈服剪切應力有增大的趨勢，但仍低于普通自來水配置的全尾砂漿體。

3.4 循環速度對漿體流變參數的影響

水以不同的流速通過磁場切割磁感線時，水的磁化效果亦不相同。圖5 所示為在磁感應強度B=0.2 T，磁化時間為20 min 時由循環速度各異的磁化水配置的全尾砂漿體的流變參數變化曲線。由圖5 可知：循環速度對磁化水-全尾砂漿體的流變性有很大的影響。對比水流循環速度為0 m/s 時未經磁化的普通自來水全尾砂漿體，隨著水流循環速度的增大，漿體的流變參數不斷降低，在2 m/s 時降至最低值，此時屈服剪切應力降低約16%，表觀黏度降低23%；當循環速度大于2 m/s 時，表觀黏度和屈服剪切應力持平。

圖4 磁感應強度對流變參數的影響Fig.4 Influence of magnetic induction intensity on rheological parameter

圖5 循環速度對流變參數的影響Fig.5 Influence of cycling rate on rheological parameter

3.5 磁化水配漿降黏減切機理分析

隨著現代科學技術的不斷進步，更高精準度的表面張力儀、電子顯微鏡等設備，X 線衍射和紅外光譜等技術被應用到磁化水機理分析中。一般地，全尾砂漿體的表觀黏度和屈服剪切應力受到全尾砂的固相含量、顆粒組成、粒徑分布表面特性(ζ 電位)和水化程度等多方面因素的影響[14-15]。硫鐵礦全尾砂含有較多的雜質硫(8.5%)，固相含量高；粒級較細，分散度高；ζ電位小，水化膜較薄，這些因素都使漿體極易形成網狀結構，導致黏度和切力增大。

水經磁化以后，水分子極性增大，在全尾砂顆粒表面的吸附力增大，同時受磁激化后的水分子趨于定向排列，水化膜的強度和厚度增大。磁化水中存在大量長的締合分子鏈和陽離子締合物，使得水中游離的陽離子數目相對減小，提高了全尾砂顆粒表面的ζ 電位。因此，磁化水-全尾砂配制的漿體不易形成網狀結構，比一般普通水配置的全尾砂漿體有更低的黏度和切力。

在一定范圍的磁化條件作用下，磁化水-全尾砂漿體的黏度和切力下降明顯；隨著磁化條件的增強，黏度和切力保持不變甚至還會升高，原因在于：在較弱的磁化條件下，磁場能量不足以使水分子中的氫鍵發生松弛并斷裂；磁場強度增大，磁化時間變長，易使被拉斷的氫鍵與其他氫鍵相互靠近并重新組合，導致水的活性降低，磁化效果下降。

4 磁化水-全尾砂漿體輸送性能評價

由上述試驗結果可知：在磁感應強度B=0.1～0.2 T，磁化時間t=20～30 min，水流循環速度v=1～2 m/s的條件下，某硫鐵礦全尾砂經磁化水配漿后流變性能得到了極大的改善，其主要的流變參數與普通自來水全尾砂漿體對比見表4。

為了驗證磁化水在降低含硫全尾砂漿體的黏度和切力，改善其流變性能，提高漿體管道輸送效率的優越性，結合某硫鐵礦充填現場工業試驗實際情況，進行磁化水-全尾砂漿體和普通自來水全尾砂漿體充填管道輸送的Fluent 模擬[16]。磁化條件為B=0.2 T，t=20 min，v=2 m/s 的磁化水-全尾砂漿體和普通自來水全尾砂漿體，在組成配比、質量分數(均為65%)、管道流量(90 m3/h)、入口流速(1.7 m/s)等都相同的情況下，通過同一個內徑為98 mm、管道粗糙度為0.12 mm、充填倍線為3.0 的充填管路，其流速變化、壓力損失、阻力計算對比如下。

表4 普通水與磁化水-全尾砂漿體流變指標對比Table 4 Comparison of rheological parameter about magnetized water and tap water tailing slurry

設水平鉆孔彎管處壓力為0 MPa，在其他條件相同的情況下，磁化水和普通自來水全尾砂漿體經由相同的充填管道，磁化水-全尾砂漿體的出口壓力為-1.08 MPa，普通自來水全尾砂漿體的出口壓力為-3.07 MPa。在水平充填鉆孔管道輸送過程中，磁化水-全尾砂漿體出口壓力損失更小，輸送性能更佳。

由圖6 和圖7 可知：在相同管道的同樣部位，磁化水-全尾砂漿體的最大管徑流速可達到2.98 m/s，而普通自來水全尾砂漿體的最大管徑流速為2.49 m/s。磁化水-全尾砂漿體在水平鉆孔彎管處的主要流速區間是1.94～2.98 m/s，遠高于普通自來水全尾砂漿體的1.49～2.24 m/s。

圖6 普通自來水全尾砂漿體水平鉆孔底端彎管處流速分布Fig.6 Duct velocity distribution of tap water tailing slurry

圖7 磁化水-全尾砂漿體水平鉆孔底端彎管處流速分布Fig.7 Duct velocity distribution of magnetized water-tailings slurry

運用Fluent 軟件模擬計算出在整個管道輸送過程中，磁化水-全尾砂漿體的管道沿程阻力損失為2.4 MPa，較之普通自來水全尾砂漿體的4.0 MPa，降低約40%。

5 結論

1) 通過漏斗滴落實驗初選和磁化水-全尾砂配漿實驗優選出適合某硫鐵礦的磁化條件為：磁感應強度B=0.1～0.2 T，磁化時間t=10～20 min，水循環流速V=2 m/s 左右。此時，磁化水-全尾砂漿體對比普通自來水全尾砂漿體，其表觀黏度下降25%～30%，屈服剪切應力下降15%～20%。

2) 基于Fluent 軟件的充填管道輸送過程模擬，磁化水-全尾砂漿體的出口壓力損失為-1.08 MPa，小于普通自來水全尾砂漿體的-3.07 MPa；磁化水-全尾砂漿體在水平鉆孔彎管處的主要流速區間是1.94～2.98 m/s，高于普通自來水全尾砂漿體的1.49～2.24 m/s；磁化水-全尾砂漿體的管道沿程阻力損失為2.4 MPa，比普通自來水全尾砂漿體降低約40%。

3) 基于磁化水的含硫高黏全尾砂充填新技術具有工藝簡單、降黏剪切效果明顯、便于在礦山實際開展等優點，可以為國內其他含硫高黏性礦山充填生產提供參考。

[1] 王新民, 古德生, 張欽禮. 深井礦山充填理論與管道輸送技術[M]. 長沙: 中南大學出版社, 2010: 9-10.WANG Xinmin, GU Desheng, ZHANG Qinli. Theory and technology of deep mine backfilling[M]. Changsha: Central South University Press, 2010: 9-10.

[2] Hulshof A H M, David W B, Gouldb W D. Evaluation of in situ layers for treatment of acid mine drainage: A field comparison[J].Water Research, 2006, 40(9): 1816-1826.

[3] 萬淑娟, 黨志. 氧化亞鐵硫桿菌在尾礦脫硫過程中的作用研究[J]. 礦物巖石地球化學通報, 2009, 28(1): 438-440.WAN Shujuan, DANG Zhi. The function of thiobacillus ferrooxidans on tailings desulfurization[J]. Journal of Mineral Geochemistry of the Rock, 2009, 28(1): 438-440.

[4] 張欽禮, 康虔, 肖富國, 等. 含硫高黏性尾砂膠結充填關鍵技術[J]. 金屬礦山, 2010, 413(11): 39-41.ZHANG Qinli, KANG Qian, XIAO Fuguo, et al. Key technology of cemented backfilling with high viscosity sulfur-content tailings[J]. Mental Mine, 2010, 413(11): 39-41.

[5] Fathia A, Mohameda T, Claudeb G, et al. Effect of a magnetic water treatment on homogeneous and heterogeneous precipitation of calcium carbonate[J]. Water Res, 2006, 40(10):1941-1950.

[6] Maheswari B L, Harsham Singh Grewal. Magnetic treatment of irrigation water: Its effects on vegetable crop yield and water productivity[J]. Agricultural Water Management, 2009, 96(8):1229-1236.

[7] 霍廣新, 張洪濤, 胡全利, 等. 磁處理提高高水充填材料凝膠體的抗壓強度[J]. 東北大學學報, 1996, 17(2): 163-166.HUO Guangxin, ZHANG Hongtao, HU Quanli, et al. Magnetic treatment for improving the strength of pack material with high water content[J]. Journal of Northeastern University, 1996, 17(2):163-166.

[8] 王貴和, 李洵. 磁化水-膨潤土漿液流變特性的實驗研究[J].現代地質, 1996, 10(4): 562-565.WANG Guihe, LI Xun. Study on rheology property of magnetized water-bentonite mud[J]. Geoscience, 1996, 10(4):562-565.

[9] Goncharuk V V, Bagrii V A. Crystallization of calcium carbonate in magnetized water in the presence of paramagnetic substances[J]. Journal of Water Chemistry and Technology, 2009,31(3): 172-176.

[10] Pang X F. The conductivity properties of protons in ice and mechanism of magnetization of liquid water[J]. The European Physical Journal B, 2006, 49(1): 5-23.

[11] WANG Xingguo, LI Li, ZHENG Yuzhou, et al. Experimental study on sprayed concrete mixed with magnetized water[J].Applied Mechanics and Materials, 2011, 1366(71): 3524-3528.

[12] 余太泉. 可控電磁磁化器的開發與試驗研究[D]. 廣州: 華南理工大學機械與汽車工程學院, 2012: 17-30.YU Taiquan. Controllable electromagnetic magnetizer development and experimental research[D]. Guangzhou: South China University of Technology. School of Mechanical and Automotive Engineering, 2012: 17-30.

[13] 王新民, 張德明, 張欽禮, 等. 基于FLOW-3D 軟件的深井膏體管道自流輸送性能[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2011,42(7): 2101-2107.WANG Xinmin, ZHANG Deming, ZHANG Qinli, et al. Pipeline self-flowing transportation property of paste based on FLOW-3D software in deep mine[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2011, 42(7): 2101-2107.

[14] Coey J M D. Magnetic water treatment-how might it work?[J].Philosophical Magazine, 2012, 92(31): 3857-3865.

[15] Kozicc V, Hamler A, Ban I. Magnetic water treatment for scale control in heating and alkaline conditions[J]. Desalination and Water Treatment, 2010, 22(1): 65-71.

[16] 耿俊俊. 龍首礦深部充填系統可靠性及擴能技術方案研究[D].長沙: 中南大學資源與安全工程學院, 2009: 79-90.GENG Junjun. Study of Longshou mine deep piping reliability and expansion technique project[D]. Changsha: Central South University. School of Resources and Safety Engineering, 2009:79-90.